Le film est divisé en quatre actes distincts. Daniel Richter incarne l'Australopithecus afarensis qui découvre l'usage de l'outil après avoir touché le monolithe dans le premier acte qui se déroule « à l'aube de l'humanité » ; William Sylvester joue le docteur Heywood R. Floyd dans le second acte quand, en 2001, le même monolithe est découvert sur la Lune. Keir Dullea (Dr David Bowman) et Gary Lockwood (Frank Poole) apparaissent dans le troisième acte en tant qu'astronautes entreprenant un voyage vers Jupiter à bord du vaisseau Discovery One, suivant le signal émis par le monolithe lorsqu'il a été découvert sur la Lune. Douglas Rain est la voix de l'ordinateur de bord sentient HAL 9000, qui commande toutes les fonctions du vaisseau. Dans l'acte final, le film suit le périple de l'astronaute David Bowman « au-delà de l'infini ».
Lors d'un congrès du Club des Astronomes, le professeur Barbenfouillis, président de ce club, surprend l'auditoire en faisant part de son projet de voyage dans la Lune. Il organise ensuite pour ses confrères la visite de l'atelier où l'obus spatial est en chantier. Il sera propulsé en direction de la Lune au moyen d'un canon géant de 300 mètres de long, embarquant à son bord six savants astronomes, dont Barbenfouillis.
Une barque se déplace en pleine mer, avec trois hommes à bord : le grand-père, le père et le jeune garçon, lequel reçoit en cadeau la même casquette que ses aînés, qui se disputent au sujet de la façon dont le petit doit porter son couvre-chef. Ensuite ils s'assoient et attendent. Le jeune garçon, se demandant que faire, imite les gestes des deux autres.
Sam Bell est un employé de la société Lunar, entreprise d'extraction d'hélium 3. Cette ressource-clef répond à la crise énergétique grandissante sur Terre tout en fournissant une énergie propre. L'hélium 3 n'est récupérable que dans la régolithe (poussière lunaire), ce qui a imposé à Lunar de bâtir une station spatiale lunaire très automatisée dont un employé a la surveillance. Sam Bell y est en poste avec pour seul compagnon Gerty, un ordinateur mobile polyvalent doté de la parole. Arrivant à la fin de son contrat de trois ans, il s'apprête à achever sa longue mission en solitaire et à retrouver sa famille, mais, petit à petit, il est pris d'hallucinations.
À l'approche des vacances en Angleterre, Wallace hésite sur la destination touristique. Lorsqu'il s'aperçoit qu'il n'a plus de fromage en réserve pour manger avec ses crackers, il a l'idée de se rendre pour les vacances sur la Lune, qui est composée de fromage. Il se met alors à construire une fusée avec son chien, Gromit.
Le méprisable Gru est un super-méchant professionnel, odieux et fier de l'être. Il est aidé de son associé-inventeur, le vieux docteur Néfario, et de ses fidèles Minions.
Alors qu'il travaille dans son observatoire, un astronome voit apparaître un diablotin et une noble dame. Il dessine ensuite des corps célestes, qui s'animent alors sur le tableau noir. Puis ses meubles disparaissent, et alors qu'il souhaite regarder la Lune avec un immense télescope, celle-ci lui apparaît, un mètre devant lui, et mange son instrument. Elle détruit également d'autres objets, et deux enfants déguisés en Pierrot sortent de sa bouche. L'astronome veut la frapper, mais elle recule, puis se transforme en croissant, sur lequel repose une jeune fille, qui enfin apparaît près de l'astronome; elle s'envole alors. L'astronome est ensuite mangé par la Lune, qui recrache ses membres; le diablotin joue avec et la dame le reconstitue. Puis, l'astronome revient dans son observatoire.
Le professeur Manfeldt est moqué par ses confrères lorsqu'il prétend qu'il existe des mines d'or sur l'astre lunaire. Trente ans plus tard, Wolf Helius souhaite construire une fusée pour aller sur la Lune. Friede Velten et l'ingénieur Hans Windegger sont intéressés par ce projet. Un groupement financier contrôlant le marché de l'or impose sa participation à leur expédition.
1969 : l'homme s'apprête à poser son premier pas sur la Lune. Le souffle coupé, le monde attend des images qui, pour des raisons techniques sont obtenues par le biais d'une antenne géante située dans un village du fin fond de l'Australie. Tout devait bien se passer, mais évidemment…
Dans une ville assiégée par les Turcs, une pièce de théâtre conte les aventures du fameux baron de Münchhausen. Surgit alors un vieillard, affirmant être le « vrai » baron de Münchhausen. Il fait un scandale et interrompt la pièce. Horatio Jackson, le dirigeant de la ville, un notable méprisant, l'ignore alors que les membres de la troupe le prennent pour un fou. Seule Sally, fille du directeur de la troupe de théâtre, le prend au sérieux. Il lui raconte comment, avec l'aide de ses compagnons Berthold, Adolphus, Albrecht et Gustavus, il a gagné le trésor du sultan, et déclenché ainsi la guerre.
Été 1946 à Moscou. L'Institut des voyages interplanétaires se prépare à envoyer un vaisseau spatial géant sur la Lune. Inquiété par l'échec des essais précédents, le directeur de l'Institut décide d'annuler la mission. Le scientifique créateur du vaisseau, ancien bolchévik, accompagné d'une assistante et d'un jeune homme passager clandestin s'envole tout de même malgré l'interdiction. Le vol se passera bien, émaillé de quelques petites péripéties, le vaisseau se posera sur la Lune. Enfin, alors que sur Terre la doublure du vaisseau s'apprête à décoller pour une mission de secours, la cabine du premier redescend suspendue à son parachute, ses trois passagers en sortent indemnes et sont fêtés par la population.
Le général Zod et ses sbires, Ursa et Non, tentent de voler un puissant cristal sur Krypton. Ayant échoué dans leur tentative, ils sont jugés par Jor-El qui les condamne à être emprisonnés dans la Zone Fantôme.
Nos amis gagnent un voyage spatial dans une navette, le Sly Star One, à destination d'une station spatiale dirigée par le milliardaire Sly dont Sammy est le plus grand fan. Atterrissant en catastrophe sur la Lune, ils vont découvrir que la station est la proie d'un monstre extra-terrestre, mais s'agit-il bien d'un monstre ?